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虹科工业通讯

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我们以技术与专业立身,为国内客户提供业内顶尖水平的工业总线协议软硬件产品及解决方案。

【HSR/PRP应用】打造有效应对自然灾害的智能电网

03-25 20浏览量

 

2021年7月20日的一场特大暴雨,导致河南省多地出现重大汛情,国网河南省电力公司紧急启动I级防汛应急响应。公开数据显示,河南省7月21日便已出动保电人员累计6874人、车辆615台、发电车80台、发电机184台,用于全力开展应急抢修、重点保电等工作。因强降雨影响停运(含主动停运)的35千伏及以上的变电站和输电线路达42座和47条,1807条10千伏配电线受损。据了解,此次极端暴雨造成电力停运设备之多、设备受损之重、停电范围之广,均创下河南省电网历史之最。为抵御自然灾害和外界干扰,电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。

什么是智能电网?

 

所谓智能电网,就是电网的智能化,是建立在集成的、高速双向通信网络基础上的2.0阶段。随着通讯、计算机、自动化等技术与传统电网技术有机融合,电网逐步迈向智能化成为可能。通过先进的传感和测量技术、先进的设备控制方法和决策支持系统,智能电网能够变得更为可靠和安全,使得电网能够更有效地应对恶劣自然环境带来的干扰和攻击,当故障发生时,电网能够快速隔离故障,实现自我恢复,从而避免大面积停电的发生。另外,通过实时和非实时信息的高度集成和双向互动服务模式的建立,电网管理者能够获取更全面、完整和精细的电网运营状态图,用户也能更充分地了解供电能力、电能质量和停电信息,从而合理安排电器使用。


 

 

 

智能电网与HSR/PRP技术

 

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,影响着智能电网的数据获取、保护和控制等多个方面。对于智能化的电力自动化和控制系统来说,IEC 61850起着十分关键的作用。IEC 61850 使得数据模型、多样化的通信服务、系统配置描述语言 (SCL)和用于联网和同步的链路层能够标准化。通过IEC 61850相关技术人员的不懈努力,一种基于以太网的零延迟和无帧丢失的网络解决方案成为现实,这一方案能够使智能电力自动化和控制系统内部的关键控制信息(如 GOOSE 或 SMV 消息)通讯变得更为安全可靠。

 

在之前的文章中有提到,IEC 61850 采用 IEC 61439-3 第 4 条和第 5 条在智能电力自动化和控制系统中提供无扰动以太网冗余,其中IEC 61439-3 第 5 条称为高可靠性无缝冗余 (HSR),第 4 条称为并行冗余协议 (PRP)。这两种协议都是提供零切换延迟时间、在发生故障时不丢失帧以及在第 2 层进行网络监督的强大手段。


 

HSR 通过环形网络在两个方向上发送数据包并在支持 HSR 的接收节点上丢弃重复的数据包来提供冗余。使得HSR环网某一处的链路出现故障,而导致某一个方向的信息帧无法到达HSR接收节点时,其可以通过另一个方向接收到冗余信息帧。PRP 适配节点连接到两个独立的以太网网络,并通过两个网络发送帧。这允许在任意一个子网出现故障时,PRP接收节点都可以通过另一个子网接收到冗余信息帧。

- 变电站中使用 HSR 和 PRP 的网络通信 -


 

上图是HSR/PRP协议应用于变电站网络的一个简要示意。其中HSR用于连接变电站各个间隔层中的智能电子设备(IED),而PRP则用于站控层与间隔层之间的总线通信,连接许多异构设备。如本示例所示,为了保持通信冗余,PRP 和 HSR 网络之间的互连使用冗余网关执行。每个 HSR 链路使用两个网关设备连接到每个 PRP子网,从而避免出现潜在的“单点故障”问题。


 

正如在这个场景中所显示的那样,工业协议的组合在复杂性和多样性方面正在增加。这些基于以太网的新兴协议对灵活性的需求使得 FPGA 和可重新配置的设备成为组合多种协议首选方案。FPGA 能够提供的功能包括:

 

实现低切换延迟时间的硬件处理能力

足够的灵活性使设计适应特定客户的要求

硬件和复杂组合支持的协议更新(例如 HSR 和 IEEE 1588)

 

HSR/PRP 交换机 IP核
 

HSR-PRP 交换机是一个完整的硬件解决方案,它可以通过利用新的 Xilinx Vivado工具轻松集成到FPGA 设计中,该工具允许在图形用户界面中使用 IP 核并以简单的方式配置 IP 参数。另外,它还能在 HSR 环网、PRP Lans 或在 IEC 61850 环境中起着网络桥接器的作用。

产品介绍
1、集成10/100/1000多速率MAC,可提供(R)(G)MII接口与PHY芯片对接2、提供基于输入端口、VLANPCP(802.1Q)、DSCP TOS(IPv4/IPv6)等方式的QoS管理机制3、支持自定义的基于源、目的MAC的报文帧过滤,支持最高4Kbytes的巨型帧4、实现HSR/PRP冗余协议,HSR模式下支持HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三种运行模式5、支持1588v2混合时钟(仅从站)、IRIG-B主时钟的同步方式6、向外部提供AXI4-Lite、UART、MDIO、CoE(Configurationover Ethernet)这四种配置IP内部的控制/统计用寄存器的手段7、支持Xilinx旗下多个系列、多个型号的FPGA,如6系列的Spartan、Virtex,7系列的Zynq,Spartan, Artix, Kintex, Virtex等

 

 

 

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